同步辐射X射线散射对聚合物/无机纳米复合材料原位拉伸的实时研究

聚合物纳米复合材料研究中存在的一个重要问题是无机填料增强聚合物的同时，使聚合物韧性降低，容易断裂。如何全面提高聚合物纳米复合材料的力学性能，是实际应用中需要解决的一个关键问题。为了阐明聚合物复合材料的力学增强增韧机制，需要对材料拉伸变形过程中微结构演变规律进行深入研究。本项目拟在上海光源小角散射站自行搭建一套温度可控的在线拉伸实验装置，利用同步辐射X射线小角散射和广角散射技术原位研究聚烯烃纳米复合材料在拉伸过程中结构演变规律和变形机理，并结合其它表征手段，对拉伸过程中裂纹或孔洞的起源和发展过程、分子链形态的变化、无机填料的结构变化等进行调查，以阐明其内在增韧机理，这对于开发高性能聚合物纳米复合材料具有重要指导意义。另外，在上海光源搭建在线拉伸装置，并进行相应的方法学研究，也为我国高分子材料用户的研究提供一个很好的基础设施平台。

聚合物纳米复合材料研究中存在的一个重要问题是纳米填充物增强聚合物的同时，使聚合物韧性降低，容易断裂。如何全面提高聚合物纳米复合材料的力学性能，是实际应用中需要解决的一个关键问题。为了利用同步辐射小角散射和广角散射技术原位在线材料在拉伸过程中的结构演变规律，我们研制加工了一台高分子原位在线拉伸装置。通过研究高密度聚乙烯纳米复合材料微结构和性能的关系，发现往高密度聚乙烯HDPE中添加TiO2纳米颗粒时，TiO2纳米颗粒对HDPE起到了明显的增强作用；我们利用SAXS、WAXS、DSC等技术深入研究了TiO2纳米颗粒增强HDPE的机制。利用碳纳米管增强高密度聚乙烯时，发现材料中出现了非常规则的杂化shish-kebab结构；与纯HDPE相比，HDPE/CNT复合材料的拉伸强度48.6MPa上升到69.2MPa，上升幅度达到42.4%；而HDPE/CNT复合材料的杨氏模量从1.27GPa上升到2.75GPa，上升幅度达到116.5%，由此可见，添加碳纳米管后HDPE/CNT复合材料的力学性能得到了显著提高。我们深入分析了杂化shish-kebab结构形成的过程及增强高密度聚乙烯的机理。高密度聚乙烯HDPE/晶须复合材料的结构-性能研究表明，动态注塑样品的拉伸强度和杨氏模量都明显高于静态注塑样品。对于动态注塑样品，由于强剪切力的存在，柱状晶须容易在熔体中取向，并在熔体冷却的过程中诱导聚合物在自身周围结晶，从而有效地增强了材料的力学性能。利用同步辐射SAXS 和WAXS技术，我们进行了原位在线拉伸过程中聚合物复合材料增强增韧机理的研究。原位SAXS 和WAXS技术研究了聚丙烯iPP /烯烃嵌段共聚物弹性体复合材料拉伸过程中的结构演变，调查了弹性体的加入对拉伸过程中空穴产生的影响、空穴的取向变化、iPP分子链的滑移和重排、分子链构象的变化等，探讨了iPP中间相的产生的机理及iPP 的空穴化和中间相同iPP 的韧性的关联，深入研究了烯烃嵌段共聚物弹性体增韧聚丙烯的机理。此外，我们还原位在线调查了交联聚四氟乙烯PTFE拉伸过程中微结构的演变规律。通过本研究，探讨了不同纳米填料对聚合物纳米复合材料结构和性能的影响，理解了聚合物纳米复合材料在拉伸过程中其内部结构的演变规律，阐明了聚合物纳米复合材料增强增韧的机理。